磁控濺射法制備多晶BiFeO3薄膜

楊強+陳蕊+王翼鑫+王麗麗

摘 要：通過磁控濺射法在單晶Si（100）基片上生長了不同厚度的BiFeO3多晶薄膜，對樣品的結構、形貌、磁性進行研究。結果表明，通過改變濺射時間，影響薄膜微觀結構。樣品薄膜具有平整的表面。室溫下，樣品呈現反鐵磁有序。

關鍵詞：BiFeO3多晶薄膜；磁控濺射法；單晶Si（100）；反鐵磁

中圖分類號：TB383 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）01-0040-02

Abstract： BiFeO3 polycrystalline thin films with different thickness were grown on single crystal Si-100 substrates by magnetron sputtering. The structure， morphology and magnetic properties of the samples were studied. The results show that the microstructure of the films is affected by changing the sputtering time. The sample film has a flat surface. At a room temperature， the sample exhibits antiferromagnetic order.

Keywords： BiFeO3 polycrystalline thin films； magnetron sputtering method； single crystal Si （100）； antiferromagnetism

多鐵材料是指同時具有鐵電性和磁性的材料，并且材料本身存在電性與磁性耦合效應，能夠實現鐵電性和磁性的相互調控[1]。BiFeO3（簡稱 BFO）是到目前為止唯一一種在室溫下同時存在鐵電有序和反鐵磁有序的材料。Hill和Reyes等[2]指出BiFeO3室溫下具有菱面體畸變鈣鈦礦結構，屬于R3c空間群。BiFeO3具有較高的居里溫度（Tc=1103K）和奈爾溫度（TN=650K），這一高的相變溫度也預示其很大的自發極化[2]。磁控濺射法是一種有效的低成本的制備大面積薄膜的方法，它具有濺射速率快，基片溫度低等特點[3]。本文采用磁控濺射法在單晶Si（100）基片上，生長了多晶BiFeO3薄膜材料，并對其結構、表面及磁性進行了研究。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

利用JGP560B多靶磁控濺射系統，采用射頻磁控濺射技術在單晶Si（100）基片上沉積厚度約為300nm的BFO薄膜。采用直徑60mm，厚度3mm，并加有2mm銅背板Bi1.05FeO3陶瓷靶材（Bi過量5%）。使用X射線衍射儀（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和振動樣品磁強計（VSM）分別對樣品的微觀結構、表面形貌及磁性進行表征。

1.2 實驗過程

實驗前清洗Si（100）基片，首先用去離子水沖洗，再將沖洗過的Si基片，分別在丙酮和無水乙醇中超聲清洗20min，以清除表面的雜質。最后用高純N2氣將其吹干并放入真空腔體中。采用機械泵和分子泵將真空腔體的底真空抽至3×10-4pa高真空的狀態后，借助氣體流量計向真空腔體內通入一定比例的Ar與O2的混合氣體，設置基片初始溫度為650°C，濺射功率為90W。濺射結束后，在純氧氣氣氛下降溫到室溫，保持氧氣壓強為4.0pa。

2 結果與討論

2.1 XRD結果分析

圖1為單晶Si（100）基片上生長的BiFeO3薄膜樣品的XRD譜圖。從圖中，我們可以看出，當濺射時間為20min與40min時，由于膜層較薄，所以X射線衍射圖譜中并沒有顯示較為明顯的衍射峰，當濺射時間t≥1h后，從圖中可以明顯看出BFO的主要衍射峰都已出現，分別為位于22.101°（100），31.539°（110），32.482（ī10），45.376°（020），51.167°（120），55.498°（121），68.879°（220）。與標準譜圖（JCPDS 74-2493）對比可知，樣品為六方菱面體結構，屬于R3m空間群。譜圖中除了BFO的特征峰以外，還有一個位于27.629° Bi2O3的（111）晶向的衍射峰，由于Bi元素的揮發溫度很低，易與氣氛中的O2反應，形成Bi的氧化物，而BFO相只能在很窄的溫度區間內形成穩定相，所以有磁控濺射法制備的BFO薄膜常常伴有Bi的氧化物相。雖然有雜質相Bi2O3相的存在，但Bi2O3為抗磁性，所以對于BFO的固有磁性測量，不會產生不利影響。根據Jade6.0軟件計算可得，當濺射時間為1h時，樣品的晶粒大小為16.8nm。樣品的晶格常數為a=0.396nm，c=0.100nm。隨著濺射時間的增長，薄膜的厚度越來越厚，樣品的衍射峰向小角度偏移，這說明樣品的晶格常數變大，晶格膨脹。

2.2 SEM結果分析

圖2為BiFeO3薄膜的SEM的二維表面形貌照片。圖2（a）、（b）為濺射1h的表面形貌，分別為放大5萬倍與10萬倍。圖2（c）、（d）為濺射2h的表面形貌，分別為放大5萬倍與10萬倍。從圖中可以看出樣品表面平整，沒有貫穿性的孔洞，邊緣連接緊密，沒有斷裂的現象。濺射時間較短時，樣品表面呈球狀。粒徑大小為20nm。濺射時間2h樣品轉變為塊粒狀，粒徑大小100nm。隨著厚度的增大，樣品的晶粒是不斷長大的。這與XRD結果是相對應的。圖3為BiFeO3薄膜的截面的SEM圖。各層間的分界清楚，樣品與基片的附著很好。各層之間沒有相互擴散，薄膜厚度均勻，約為344nm。

2.3 VSM結果分析

圖4（a）、（b）均為室溫下，濺射時間為1h的樣品在磁場平行薄膜方向上測得的磁滯回線（M-H曲線）。（a）為包含背底Si的樣品曲線，（b）為經過扣除背底處理后的樣品曲線。從圖中，我們可以看出由于基片Si為抗磁性，在扣除抗磁信號后，樣品BFO為反鐵磁性。圖（b）為磁場區間為（-2500Oe～2500Oe）放大圖，從圖中可以看出樣品矯頑力雖然很小，但仍然是存在的。由于BFO材料的奈爾溫度（TN=650K）高于室溫（300K），因此，在室溫下會呈反鐵磁有序態。

3 結束語

采用磁控濺射法制備在單晶Si（100）基片上生長了不同厚度的BiFeO3多晶薄膜。當濺射時間t≥1h后，從圖中可以明顯看出BFO的主要衍射峰都已出現。樣品為六方菱面體結構，隨著濺射時間的增長，樣品的晶格常數變大，晶格膨脹。在室溫下，磁性測試結果表面，樣品呈現反鐵磁性。

參考文獻：

[1]Vaz， C. A. F. Hoffman， J.； Ahn， C. H. Ramesh， R. Magnetoelectric Coupling Effects in Multiferroic Complex Oxide Composite Structures. Advanced Materials， 2010，22，2900-2918.

[2]Zhao， T. Scholl， A. Zavaliche， F. Lee， K. Barry， M. Doran， A. Cruz， M. P. Chu， Y. H. Ederer， C. Spaldin， N. A. Das， R. R. Kim， D. M. Baek， S. H. Eom， C. B. Ramesh， R. Electrical control of antiferromagnetic domains in multiferroic BiFeO3 films at room temperature. Nat Mater，2006，5，823-829.

[3]M. B. A. B. Multiferroics： Towards a magnetoelectric memory. Nature Materials，2008，7，425.

[4]Singh， A. Khan， Z. R. Vilarinho， P. M. Gupta， V. Katiyar， R. S. Influence of thickness on optical and structural properties of BiFeO3 thin films： PLD grown. Materials Research Bulletin ，2014，49，531-536.endprint